WO2024018658A1 - 回転コンデンサ、円形加速器、および粒子線治療システム - Google Patents

回転コンデンサ、円形加速器、および粒子線治療システム Download PDF

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WO2024018658A1
WO2024018658A1 PCT/JP2023/003851 JP2023003851W WO2024018658A1 WO 2024018658 A1 WO2024018658 A1 WO 2024018658A1 JP 2023003851 W JP2023003851 W JP 2023003851W WO 2024018658 A1 WO2024018658 A1 WO 2024018658A1
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WO
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shaft
high frequency
rotating capacitor
frequency
electrode
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/003851
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English (en)
French (fr)
Inventor
健 岩田
隆光 羽江
Original Assignee
株式会社日立製作所
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H13/00—Magnetic resonance accelerators; Cyclotrons
    • H05H13/02—Synchrocyclotrons, i.e. frequency modulated cyclotrons

Definitions

  • the present invention relates to a rotating capacitor suitably used in a circular accelerator for accelerating a particle beam, a circular accelerator equipped with the same, and a particle beam therapy system.
  • Patent Document 1 includes a stator electrode and a rotor electrode having a rotor electrode surface that forms a capacitance between the stator electrode and the stator electrode surface of the stator electrode, and when the rotor electrode rotates, electrostatic In a circular accelerator in which a rotating capacitor with variable capacitance is provided within a housing, the rotor electrode is held by a shaft rotatably held by a metal bearing fixed within the housing, the shaft being at least partially axially
  • the bearing holder is arranged between the bearing and the housing, the region of which is made of an insulating material that insulates direct current, and at least a portion of the region is made of an insulating material that insulates direct current.
  • Patent Document 2 discloses that a hole for inserting a grounding brush is provided in a bearing end cover that is provided to prevent bearing lubricant from leaking out or to prevent foreign matter or rainwater from entering the bearing. , it is described that a grounding brush is inserted into this hole, and a presser spring that presses the brush and a presser plate that holds the presser spring are attached to the upper part of the grounding brush.
  • Synchrocyclotrons and eccentric orbit accelerators are known as circular accelerators that keep the main magnetic field strength constant over time and modulate the frequency of the accelerating high frequency over time.
  • rotating capacitors are used as elements that modulate the high-frequency waves that accelerate charged particle beams.
  • a rotating capacitor generally includes a stator electrode, a rotor electrode placed opposite to the stator electrode, a rotating shaft that rotates the rotor electrode, and a bearing that supports the rotating shaft. It is described in Patent Document 1.
  • bearings and vacuum seals of rotating capacitors must withstand the high-speed rotation of the rotating shaft.
  • high-frequency current may flow through the wall of the casing and into the bearing or vacuum seal. Therefore, bearings and vacuum seals are consumable items and need to be replaced periodically, but it is desired that they have a longer lifespan to reduce the frequency of replacement.
  • the purpose of the present invention is to provide a rotating capacitor, a circular accelerator, and a particle beam therapy system that can reduce the high-frequency current flowing through the bearing and vacuum seal of the rotating capacitor used in the circular accelerator, and extend the life of the rotating capacitor. It is about providing.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above problems, and one example thereof is a circular accelerator that accelerates a charged particle beam by applying a first high frequency wave to a DC main magnetic field.
  • a rotary capacitor that modulates the frequency of the first high frequency, the rotor electrode that modulates the frequency of the electric field caused by the first high frequency, and the stator electrode fixed by an inner conductor that modulates the frequency of the electric field caused by the first high frequency.
  • a shaft that supports and rotates the rotor electrode, a vacuum seal provided between the shaft and an outer conductor whose interior is maintained under vacuum, a bearing that supports the shaft, and a shaft that is disposed on the vacuum side of the vacuum seal.
  • a brush electrically connecting the rotor electrode side and the outer conductor.
  • the high frequency current flowing through the bearing and vacuum seal of a rotating capacitor used in a circular accelerator can be reduced compared to the conventional art, and the life of the rotary capacitor can be extended.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a circular accelerator according to the present embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a circular accelerator according to the present embodiment.
  • 3 is a sectional view taken along line A-A' in FIG. 2.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing beam activation for each energy. It is a figure showing the movement pattern of the circular accelerator concerning this embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an acceleration cavity and a rotating capacitor according to the present embodiment.
  • 7 is a sectional view taken along line B-B' in FIG. 6.
  • FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a rotating capacitor of an acceleration cavity according to modification 1 of the present embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a rotating capacitor of an acceleration cavity according to a second modification of the present embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a particle beam therapy system according to the present embodiment.
  • FIGS. 1 to 10 Embodiments of the rotating condenser, circular accelerator, and particle beam therapy system of the present invention will be described using FIGS. 1 to 10.
  • the rotating capacitor according to the present invention can be suitably used in a circular accelerator, but is not limited to that use.
  • the circular accelerator according to the present invention is suitably used in a particle beam therapy system, it is not limited to this application.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a circular accelerator according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view showing a cross section (center plane) of the circular accelerator.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line A-A' in FIG. 2, and is a sectional view showing a longitudinal section of the circular accelerator.
  • the circular accelerator 39 shown in FIG. 1 and the like is a device that accelerates a charged particle beam using a frequency-modulated high-frequency electric field in a main magnetic field (DC main magnetic field) with a temporally constant strength.
  • a circular accelerator that accelerates a proton beam to about 200 MeV will be described, but the circular accelerator 39 may be a device that accelerates a heavy particle beam such as helium or carbon.
  • the circular accelerator 39 is an eccentric orbit type accelerator in which a main magnetic field is formed to eccentrically shift the beam trajectory toward the beam exit path entrance 82, and outputs the beam while changing the beam energy arbitrarily between about 70 MeV and 200 MeV. be able to. Note that the beam trajectory does not need to be an eccentric trajectory, and it goes without saying that the activation of the accelerated beam can also be applied to an equicentric accelerator.
  • the outer shell of the circular accelerator 39 is formed by a main electromagnet 40 that is vertically divisible.
  • An acceleration region is formed on the central plane within the main electromagnet 40, and the acceleration region is evacuated.
  • the orbit that the beam passes from when the beam starts accelerating within the acceleration region until the energy of the beam reaches the maximum energy of about 200 MeV will be referred to as an orbit.
  • the orbit through which a beam having a maximum energy of about 200 MeV passes is called the maximum energy orbit 80 (see FIG. 2).
  • the orbit through which a beam having an energy of 70 MeV passes is called the lowest output energy orbit 81.
  • the surface on which the orbit draws a spiral is called the orbital surface or orbital plane.
  • a two-dimensional polar coordinate system of the orbital surface is defined with the origin at the center of the acceleration region, and the axis extending radially outward from the center is called the r-axis.
  • an ion source 53 is installed above the main electromagnet 40.
  • Ion source 53 generates a beam of ions that is incident on main electromagnet 40 .
  • the beam generated by the ion source 53 passes through the low-energy beam transport system 54 and enters the acceleration region inside the main electromagnet 40 via the ion injection section 52 .
  • an ECR ion source or the like can be applied as the ion source 53.
  • the ion source 53 may be placed inside the evacuated acceleration region inside the main electromagnet 40, and in that case, a PIG type ion source or the like can be suitably used.
  • the ion injection section 52 is arranged closer to the beam exit path entrance 82 than the mechanical center of the acceleration region on the center line.
  • a beam of charged particles generated by the ion source 53 passes through a low-energy beam transport system 54, an ion injection section 52, and an acceleration region inside the main electromagnet 40 by an inflector electrode (not shown for convenience of illustration). is incident on the
  • the incident beam is accelerated by a high-frequency electric field and orbits in the main magnetic field while increasing its energy.
  • the radius of curvature of its trajectory increases and the beam follows a spiral trajectory outward from the center of the acceleration region.
  • the high frequency wave that accelerates the beam corresponds to an example of the first high frequency wave.
  • the main electromagnet 40 includes a main magnetic pole 38, a yoke 41, and a main coil 42.
  • the external appearance of the main electromagnet 40 is formed by the yoke 41 .
  • An approximately cylindrical region is formed inside the yoke 41 .
  • the main coil 42 is an annular superconducting coil and is installed along the inner wall of the yoke 41.
  • a cryostat 60 is installed around the main coil 42, and the main coil 42 is cooled by the cryostat 60.
  • Main magnetic poles 38 are installed on the inner peripheral side of the main coil 42 so as to face each other vertically.
  • the vertical magnetic field excited by passing a DC current through the main coil 42 and formed by the main magnetic pole 38 is referred to as a DC main magnetic field.
  • the DC main magnetic field is used to form eccentric orbits.
  • the acceleration region is a region for accelerating the beam in the DC main magnetic field.
  • a plurality of through holes are formed in the yoke 41. Specifically, a beam through hole 46, a coil through hole 48, a vacuum through hole 49, and a high frequency system through hole 50 are formed.
  • the beam through hole 46 is a through hole for emitting an accelerated beam, and forms a high energy beam transport system 47.
  • a septum coil 43 is installed at a beam exit path entrance 82 located on the inner peripheral side of the circular accelerator 39 in the beam through hole 46 .
  • the coil through-hole 48 is a through-hole for drawing out various coil conductors installed inside the yoke 41 to the outside.
  • the evacuation through hole 49 is a through hole for evacuation of the acceleration region.
  • the high-frequency system through-hole 50 is a through-hole for the acceleration cavity 10, and is provided on the connecting surface of the upper and lower magnetic poles.
  • the acceleration cavity 10 is a ⁇ /2 resonance type cavity, and includes a D electrode 12, a dummy D electrode 13, an inner conductor 14, an outer conductor 15, and a rotating capacitor 22.
  • the D electrode 12 is a hollow electrode through which the beam passes, and is connected to the inner conductor 14.
  • the dummy D electrode 13 is an electrode at ground potential, and is connected to the outer conductor 15 surrounding the inner conductor 14 .
  • An acceleration gap 11 is formed between the D electrode 12 and the dummy D electrode 13. A high frequency electric field is formed in the acceleration gap 11.
  • High frequency power to the acceleration cavity 10 is supplied by a high frequency power source 21 via an input coupler 20.
  • the input coupler 20 is coupled to the acceleration cavity 10 by either capacitive coupling or magnetic coupling.
  • a high frequency acceleration voltage for accelerating the beam and a high frequency electric field due to the high frequency acceleration voltage are generated in the acceleration gap 11.
  • connection surface perpendicular to the direction in which high-frequency current flows such as the connection between the D electrode 12 and the inner conductor 14
  • an RF contact is inserted to ensure electrical continuity.
  • dimensional changes in the acceleration cavity 10 due to thermal elongation can also be prevented.
  • a bellows can be used in addition to the RF contact.
  • the stub 16 has a cylinder extending coaxially from the inner conductor 14 and the outer conductor 15, and is used in place of an inductive load (coil) for adjusting the resonance frequency.
  • a Kapton sheet is provided between the inner conductor 14 and outer conductor 15 of the stub 16 to provide DC insulation but high frequency conduction.
  • the resonant frequency is adjusted by changing the length of the stub 16, the ratio of the diameters of the inner conductor 14 and outer conductor 15, and the attachment positions to the inner conductor 14 and outer conductor 15.
  • the stub 16 is also used as an entrance for passing water cooling pipes, signal lines, power supply lines, etc. from the inner conductor 14 to the D electrode 12 side. Although the number of stubs 16 is one in FIG. 2, it may be two or more.
  • the rotating capacitor 22 is a device for modulating the resonant frequency of the acceleration cavity 10. By temporally varying the capacitance of the rotating capacitor 22, the resonance frequency of the acceleration cavity 10 can be changed to form a frequency modulation pattern.
  • a frequency-modulated acceleration voltage is generated by the rotating capacitor 22 in the acceleration gap 11 between the Dee electrode 12 and the dummy Dee electrode 13.
  • the acceleration gap 11 shown in FIG. 2 is an acceleration gap with a harmonic number of 1, that is, an acceleration gap in which the circulation frequency and the acceleration frequency are the same, and is formed according to the trajectory shape of the beam.
  • the high-frequency power source 21 supplies high-frequency power at a frequency that follows the change in the resonance frequency of the acceleration cavity 10, using either a self-excitation type or separately excitation type.
  • the main magnetic field that realizes the eccentric orbit will be explained below.
  • the main magnetic field may be a type of magnetic field in which the main magnetic field strength is constant in the circumferential direction, or may be an AVF (Azimuthal Varying Field) type magnetic field.
  • the main magnetic field distribution is a non-isochronous DC magnetic field.
  • the main magnetic field distribution is determined so as to satisfy the beam stabilization condition in which the n value expressed by the following equation (1) is greater than 0 and less than 1.
  • ⁇ is the deflection radius of the design trajectory
  • B is the magnetic field strength
  • ⁇ B/ ⁇ r is the radial magnetic field gradient
  • a beam that has slightly deviated from its design trajectory in the radial direction will receive a restoring force that returns it to the design trajectory, and a beam that has deviated in a direction perpendicular to the orbital plane will It receives a restoring force from the main magnetic field in the direction of returning to .
  • the beam undergoes betatron oscillation in the vicinity of the designed orbit, rotates stably, and is accelerated.
  • the betatron frequency (horizontal tune) ⁇ r in a direction parallel to the orbit plane and orthogonal to the orbit is set to a value close to 1.
  • the main magnetic field distribution described above is formed by the main magnetic pole 38 and the trim coil and magnetic pole piece (both not shown) installed on the surface of the main magnetic pole 38. Since these components are vertically symmetrically arranged with respect to the orbital plane, the main magnetic field has only a magnetic field component in a direction perpendicular to the orbital plane on the orbital plane.
  • Figure 4 shows the orbit of each energy. Fifty types of energy trajectories are shown by solid lines at intervals of 0.04 Tm of magnetic rigidity from the maximum energy of about 200 MeV.
  • the dotted line is a line connecting the same orbital phase of each orbit, and is called an equi-orbital phase line. Equicyclic phase lines are plotted every cyclic phase ⁇ /20 from the aggregation area.
  • the acceleration gap 11 formed between the D-electrode 12 and the dummy D-electrode 13 is installed along the equicyclic phase line. More specifically, the Dee electrode 12 has a hollow sector-like shape with a tip near the center of the concentric orbit and a radius along the equicyclic phase line.
  • the trajectory in the region where the beam energy is low is close to a concentric trajectory centered near the ion injection part 52, similar to the conventional cyclotron.
  • the higher energy trajectories are tightly clustered on the side of the beam exit path entrance 82.
  • the orbits of each energy are spaced apart from each other.
  • the point where these trajectories are densely gathered is called an aggregation area, and the area where these trajectories are separated is called a discrete area.
  • FIG. 5A shows a graph showing the relationship between the resonant frequency f cav of the acceleration cavity 10, the frequency f ext which is the frequency of the high frequency electric field applied to the beam by the high frequency kicker 70, and the time T. has been done.
  • FIG. 5B shows a graph showing the relationship between the acceleration voltage V acc generated in the acceleration gap 11, the high frequency voltage V ext applied to the high frequency kicker 70, and time T.
  • FIG. 5(c) shows a graph showing the relationship between the current of the incident beam and the current of the emitted beam, and time T. Note that the high frequency applied to the high frequency kicker 70 corresponds to an example of the second high frequency.
  • One acceleration period starts from the rise of the acceleration voltage V acc (time T1). Thereafter, when the accelerating voltage V acc increases sufficiently, the beam from the ion source 53 enters the circular accelerator 39 (time T2).
  • High frequency capture of the beam ends after time t1 has elapsed since the beam entered the circular accelerator 39.
  • the captured beam that is, the beam ready for acceleration among the incident beams, starts to be accelerated by the acceleration voltage V acc (time T3).
  • the acceleration high-frequency wave starts to be cut off (time T4), and after time t2 has elapsed, the acceleration voltage V acc is turned off (time T5), and the beam orbits in a certain orbit. .
  • betatron oscillation the individual charged particles forming the beam vibrate in a direction perpendicular to the trajectory of the beam as they orbit, and this vibration is called betatron oscillation, and the frequency of this vibration is called betatron frequency.
  • the frequency of vibration per revolution is called a tune
  • the displacement of the beam on the r-axis to the outside of the orbital surface per revolution is called a turn separation.
  • betatron vibration in the orbital plane and in a direction orthogonal to the beam orbit is called horizontal betatron vibration, and the tune is called horizontal tune.
  • This betatron oscillation has the property that resonance occurs and the amplitude increases rapidly when an appropriate high frequency voltage is applied.
  • the high-frequency kicker 70 does not have a resonator structure and is designed to have an appropriate capacitance, the high-frequency voltage of the high-frequency kicker 70 rises quickly with a response of several ⁇ sec.
  • Betatron oscillations have the property that the amplitude increases resonantly when the product of either the horizontal tune or the fractional part of the horizontal tune and the beam's orbiting frequency is approximately the same as the frequency of the applied high-frequency voltage. have Therefore, the frequency f ext of the high-frequency voltage is set to be approximately the same as the product ⁇ r ⁇ f rev of the fractional part ⁇ r of the horizontal tune ⁇ r of the maximum energy beam and the circulating frequency f rev of the beam with the energy to be extracted. determined.
  • a high frequency voltage with a finite frequency bandwidth that includes a frequency component that is substantially the same as the product ⁇ r ⁇ f rev may be applied.
  • the amplitude of the horizontal betatron oscillation continues to increase resonantly, and the beam eventually reaches the peeler magnetic field region 44 and regenerator magnetic field region 45 installed on the outer circumferential side of the maximum energy orbit 80 (time T6). .
  • the beam that has reached the peeler magnetic field region 44 is kicked toward the outer circumferential side of the orbital surface.
  • the beam that has reached the regenerator magnetic field region 45 is kicked toward the inner circumferential side of the orbital plane.
  • ick refers to deflecting a beam by applying an electric field or a magnetic field.
  • the beam is further kicked toward the outer circumference by the quadrupole magnetic field component of the peeler magnetic field region 44, and the turn separation increases.
  • the magnetic field of the regenerator magnetic field region 45 suppresses sudden fluctuations in the horizontal tune of the beam, and betatron oscillations occur in the vertical direction perpendicular to the horizontal direction by 90 degrees until the beam is emitted. This prevents the beam from being lost due to divergence.
  • the beam When it becomes possible to obtain a turn separation that greatly exceeds the thickness of the coil conductor (not shown) installed on the inner circumferential side of the septum coil 43, the beam is guided inside the septum coil 43, receives sufficient deflection, and has high energy. The beam is guided to the beam transport system 47 and emitted.
  • time T5 Immediately after starting to apply the high-frequency voltage to the high-frequency kicker 70 (time T5), by applying the highest possible high-frequency voltage and quickly increasing the amplitude of the beam, the time until the beam is emitted can be shortened. .
  • Beam output current can be precisely controlled.
  • the beam output current can also be changed by sweeping the frequency of the high frequency applied to the high frequency kicker 70 or changing the phase of the high frequency of this gear. This utilizes the property (tune spread) that the betatron frequencies of charged particles contained in the beam vary in a certain distribution. By changing the radio frequency and changing the frequency distribution band of charged particles that cause resonance, the beam output current can be changed.
  • time T6 After time t4 has elapsed since the start of beam emission (time T6), the application of the high frequency voltage V ext to the high frequency kicker 70 is stopped, thereby stopping the beam emission (time T7).
  • time T7 By adjusting this time t4 , the beam emission time can be controlled.
  • the beam emission current can be adjusted, and by stopping the application of the high frequency voltage, the beam emission can be stopped. Therefore, the spot dose required for scanning irradiation can be irradiated with just one emitted pulse beam, and the dose rate is improved.
  • the beam can be emitted until time T7'. .
  • beam ejection can be resumed by applying the high frequency voltage V ext again (time T8), without having to enter, capture, or accelerate the beam again.
  • the beam can be used for the next spot irradiation. That is, since the beam can be emitted multiple times within one acceleration period, the charge incident from the ion source 53 can be used without wasting it, and the dose rate is further improved.
  • the acceleration voltage V acc begins to rise again, a new acceleration cycle begins (time T10).
  • the rotating capacitor 22 shown in FIG. 6 is installed at the end of the acceleration cavity 10 on the opposite side from the Dee electrode 12.
  • the rotating capacitor 22 includes a motor 31, a stator electrode 32, a rotor electrode 33, a shaft connecting the rotor electrode 33 and the motor 31, a rotary joint 34, a vacuum seal 29, and a shaft bearing 30. It includes a holder 28, a bypass capacitor 23, and a brush 26.
  • the stator electrode 32 is formed on the inner conductor 14.
  • the rotor electrode 33 is placed on the side of the outer conductor 15 whose interior is kept in a vacuum, and a minute gap is provided between the outer conductor 15 and the rotor electrode 33 so that they are electrostatically coupled. By providing a gap in this way, the rotor electrode 33 can be rotated without physically contacting the outer conductor 15, and electrically, the outer conductor 15 and the rotor electrode 33 are made to have the same potential through electrostatic coupling. be able to.
  • the stator electrode 32 may be placed on the outer conductor 15 side and the rotor electrode 33 may be placed on the inner conductor 14 side.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along the line B-B' in FIG. 6.
  • the stator electrode 32 and the rotor electrode 33 have a periodic symmetrical structure having an arbitrarily shaped notch in the circumferential direction in order to realize the frequency modulation pattern shown in FIG. 5(a). have.
  • the capacitance formed between stator electrode 32 and rotor electrode 33 changes over time.
  • this periodic symmetrical structure is an 8-fold symmetrical structure, so the frequency modulation pattern is repeated for 8 periods every time the motor 31 rotates once. If the number of periodic symmetries is further increased, the rotation speed of the motor 31 can be lowered, and shaft vibration can be suppressed, so that the life of the bearing 30 and the vacuum seal 29 can be extended. Further, it is possible to modulate the high frequency frequency with high precision.
  • the shaft supports and rotates the rotor electrode 33, and is composed of a metal shaft 35a and a rotor electrode support portion 35b.
  • This shaft is installed so that the metal shaft 35a portion passes through the center of the motor 31.
  • a rotary joint 34 is installed at the end of the shaft, and cooling water is supplied into the shaft for water cooling. The cooling water is used to cool the rotor electrodes 33.
  • the water cooling piping can be arranged in such a way that the piping is carried in a straight line from the shaft to the rotor electrode 33 and from there to the tip of the rotor electrode 33, and deformation due to thermal expansion can be suppressed more easily than in the past. Can be done.
  • the motor 31 shown in FIG. 6 is only an example, and the motor used for the rotary capacitor 22 may have a structure other than the structure in which the shaft and the rotating shaft are shared.
  • a motor may be installed beside the shaft, and the shaft may be driven via gears, pulleys, or the like.
  • the rotating shaft of the motor 31 is mounted vertically upward relative to the particle acceleration region of the Dee electrode 12.
  • the input coupler 20 and the high frequency power source 21 are provided in the opposite direction to the Dee electrode 12.
  • the bearing 30 changes from being supported on one side to being supported on both sides, thereby stabilizing the rotation of the rotor electrode 33 and reducing shaft vibration.
  • the rotation axis of the motor 31 does not need to be vertically upward relative to the particle acceleration region of the Dee electrode 12, but can be vertically downward or horizontal.
  • the interior of the rotating capacitor 22 is a vacuum, and a vertically upward force is applied to the rotor electrode 33, thereby reducing the load on the shaft bearing 30.
  • the vacuum seal 29, shaft bearing 30, and motor 31 are located on the lower side, maintenance becomes easier.
  • the inner conductor 14 has a flat plate portion 14a on a flat plate and a cylindrical portion 14b that is not parallel to the flat plate portion 14a. Furthermore, the rotor electrode 33 is configured such that its rotation axis is arranged parallel to the cylindrical portion 14b of the inner conductor 14.
  • Both holders 28 and 28a are water-cooled, and hold and cool the vacuum seal 29 and bearing 30.
  • a vacuum seal 29 is installed on the D-electrode 12 side and vacuum-seals around the shaft.
  • a bearing 30 that supports the shaft is installed on the opposite side of the Dee electrode 12. That is, the bearing 30 is installed on the atmosphere side. Since the bearing 30, which is a consumable item, is installed on the atmosphere side, maintenance work such as replacing the bearing 30 is facilitated. Further, since there is no need to release the vacuum for maintenance work, downtime of the circular accelerator 39 can be reduced. Further, even if the grease used in the bearing 30 generates dust, the dust is located in the atmosphere and does not cause deterioration of the degree of vacuum, so there is an advantage that problems such as electric discharge and beam loss do not occur.
  • the vacuum seal 29 is a member provided between the shaft and the outer conductor 15, and a lip seal, double O-ring, Wilson seal, bellows seal, or the like is preferably used. Note that if the rotational speed of the motor 31 is 2000 rpm or less, a magnetic fluid seal can be used, and since this improves slidability, an improvement in the life of the seal can be expected.
  • bypass capacitor 23 is installed on the vacuum side of the vacuum seal 29 in order to reduce the high frequency current flowing through the vacuum seal 29 and the bearing 30 side.
  • Bypass capacitor 23 includes a holder-side electrode 24 and a shaft-side electrode 25 that face each other.
  • the holder-side electrode 24 is an electrode fixed to a holder 28a made of a conductor connected to the outer conductor 15.
  • the shaft-side electrode 25 is an electrode fixed on the shaft.
  • the holder-side electrode 24 and the shaft-side electrode 25 are electrodes that do not have a notch in the circumferential direction. This configuration increases capacitance and reduces impedance to high frequencies. Therefore, the high frequency current flows more easily through the bypass capacitor 23, and the high frequency current flowing through the vacuum seal 29 and the bearing 30 is reduced.
  • the electromagnetic shield 36 is a shield that covers the bypass capacitor 23, the brush 26, the vacuum seal 29, the shaft bearing 30, and the motor 31, and prevents high-frequency power that cannot be absorbed by the bypass capacitor 23 and the brush 26 to the outside. It has the effect of preventing leakage.
  • a brush 26 is further installed between the bypass capacitor 23 and the vacuum seal 29 in order to reduce high frequency current.
  • This brush 26 is arranged on the vacuum side of the vacuum seal 29 and is a member for electrically connecting the rotor electrode 33 side and the outer conductor 15.
  • the brush 26 is a rectangular parallelepiped bulk machined so that the contact surface with the shaft becomes a curved surface along the shaft, increasing the contact surface and allowing stable sliding.
  • the opposite side of the brush 26 is connected to a holder 28a, and is pressed from the holder 28a side toward the shaft side by a spring or the like.
  • At least one brush 26 is attached to the shaft, and a plurality of brushes 26 may be attached on the circumference of the shaft or a plurality of brushes 26 may be provided in the axial direction. Alternatively, it may be cylindrical so as to contact the entire circumference of the shaft. If the cylindrical brush 26 has a high proportion of metal powder, the high frequency current can be more effectively shielded by closing the gap between the holder side electrode 24 of the bypass capacitor 23 and the shaft with the cylindrical brush 26. High frequency current can be further reduced.
  • the brush 26 is provided between the bypass capacitor 23 and the vacuum seal 29, but the brush 26 may be provided between the rotor electrode 33 and the bypass capacitor 23.
  • the voltage is high in the area between the shaft, especially the holder-side electrode 24 or the shaft-side electrode 25, and the vacuum seal 29, and the effect of electrical conduction. It has been found that this is the most suitable location because of the high
  • the material used for the brush 26 is sintered carbon or copper powder, but any hardened conductive material may be used. With this configuration, the holder 28a connected to the shaft and the outer conductor 15 is electrically connected by the brush 26, and a high frequency current flows from the shaft to the outer conductor 15. Therefore, the high frequency current flowing through the vacuum seal 29 and the bearing 30 is reduced, so that the life of the vacuum seal 29 and the bearing 30 is extended.
  • the stator electrode 32, the rotor electrode 33, the inner conductor 14, the outer conductor 15, and the metal shaft 35a, which can serve as a path through which a high-frequency current flows, are all members made of a conductor.
  • FIG. 8 shows a rotating capacitor 22A of an acceleration cavity 10A according to Modification 1.
  • the shaft is composed of a metal shaft 35a, a rotor electrode support part 35b, and an insulated shaft 35c.
  • the insulated shaft 35c is arranged on the rotor electrode support part 35b side that supports the rotor electrode 33, and the metal shaft 35a is arranged on the motor 31 side. be done.
  • the material used for the insulating shaft 35c is FRP, alumina, or aluminum nitride.
  • the brush 26 is in contact with the metal shaft 35a.
  • FIG. 9 shows a rotating capacitor 22B of an acceleration cavity 10B according to a second modification.
  • an insulating flange 27 is installed between a holder 28 that holds a vacuum seal 29 and a holder 28a that holds a brush 26.
  • the material of the insulating flange 27 is an insulating material such as FRP, alumina, or aluminum nitride.
  • FRP insulating material
  • alumina alumina
  • aluminum nitride insulating material
  • FIG. 10 shows the configuration of a particle beam therapy system.
  • a particle beam therapy system 300 includes a circular accelerator 39, a rotating gantry 190, a scanning coil, an irradiation device 192 that irradiates a patient with a charged particle beam emitted from the circular accelerator 39, and a treatment table 201. , and a control device 191 that controls these.
  • the beam emitted from the circular accelerator 39 is transported to the irradiation device 192 by a rotating gantry 190.
  • the transported ion beam is shaped to match the shape of the affected area by adjusting the irradiation device 192 and beam energy, and is irradiated with a predetermined amount onto the affected area target of the patient 200 lying on the treatment table 201.
  • the irradiation device 192 includes a dose monitor and monitors the dose irradiated to the patient 200 for each irradiation spot.
  • the control device 191 calculates the required dose to each irradiation spot based on this dose data, and outputs the calculation result to the calculation device.
  • the rotating capacitors 22, 22A, and 22B of this embodiment described above are used in a circular accelerator 39 that accelerates a charged particle beam by applying a first high frequency wave to a DC main magnetic field, and are used in a circular accelerator 39 for accelerating a charged particle beam by applying a first high frequency wave to a DC main magnetic field.
  • the apparatus includes a rotor electrode 33 that modulates the frequency of the electric field generated by the first high frequency wave, a stator electrode 32 that is fixed by the inner conductor 14, and supports the rotor electrode 33 that modulates the frequency of the electric field generated by the first high frequency wave;
  • a shaft to be rotated a vacuum seal 29 provided between the shaft and the outer conductor 15 whose interior is maintained under vacuum, a bearing 30 supporting the shaft, and a bearing 30 disposed on the vacuum side of the vacuum seal 29 and on the rotor electrode 33 side.
  • a brush 26 electrically connected to the outer conductor 15 is provided.
  • the high frequency current flowing through the bearings 30 and vacuum seals 29 of the rotating capacitors 22, 22A, 22B used in the acceleration cavity 10 of the circular accelerator 39 can be reduced compared to the conventional configuration.
  • the life of the bearing 30 and the vacuum seal 29 can be extended compared to the above.
  • the brush 26 electrically connects the shaft and the outer conductor 15, the effect of reducing the high frequency current flowing through the bearing 30 and the vacuum seal 29 can be maximized.
  • the shaft has a water-cooled structure, deformation due to thermal expansion can be suppressed more easily than in the past.
  • the shaft has a metal shaft 35a, an insulating shaft 35c, and a rotor electrode support part 35b, and the brush 26 is in contact with the metal shaft 35a, thereby further reducing the high frequency current flowing to the vacuum seal 29 and the bearing 30.
  • the vacuum seal 29 and bearing 30 are less likely to deteriorate, and their lifespan can be extended.
  • the insulating flange 27 between the holder 28 that holds the vacuum seal 29 and the holder 28a that holds the brush 26 it is possible to further reduce the high frequency current flowing through the vacuum seal 29 and the bearing 30.
  • the seal 29 and the bearing 30 are less likely to deteriorate, and their lifespan can be extended further.
  • the inner conductor 14 has a flat plate portion 14a on a flat plate and a cylindrical portion 14b that is not parallel to the flat plate portion 14a, and the rotor electrode 33 has its rotation axis relative to the cylindrical portion 14b of the inner conductor 14.
  • the bearings 30 By arranging the bearings 30 in parallel, the bearing 30 can be changed from a cantilevered structure to a structure similar to a double-sided structure, making it possible to further stabilize the rotation of the rotor electrode 33 and further reduce shaft vibration. Thereby, it is possible to modulate the high frequency frequency with higher accuracy.
  • Embodiments of the present invention may have the following aspects.
  • a rotating capacitor used in a circular accelerator that accelerates a charged particle beam by applying a first high frequency wave to a direct current main magnetic field, and modulating the frequency of the first high frequency wave, the frequency of the electric field due to the first high frequency wave.
  • a stator electrode that is fixed by an inner conductor and that modulates the frequency of the electric field caused by the first high frequency, a shaft that supports and rotates the rotor electrode, and the shaft and the inside thereof are maintained in a vacuum.
  • a vacuum seal provided between the rotor electrode and the outer conductor, a bearing that supports the shaft, and a brush that is disposed on the vacuum side of the vacuum seal and electrically connects the rotor electrode side and the outer conductor. rotating capacitor.
  • the brush electrically connects the shaft and the outer conductor.
  • the shaft has a metal part, an insulator part, and a rotor electrode support part.
  • the shaft has a metal part, an insulator part, and a rotor electrode support part, and the brush is in contact with the metal part.
  • an insulator is provided between the holder that holds the vacuum seal and the holder that holds the brush.
  • the shaft has a water-cooled structure.
  • the inner conductor has a flat plate portion on a flat plate and a cylindrical portion that is not parallel to the flat plate portion, and is arranged such that its rotation axis is parallel to the cylindrical portion of the inner conductor.
  • a circular accelerator comprising the rotating capacitor according to any one of (1) to (7), and accelerating a charged particle beam by applying the first high frequency to the DC main magnetic field.
  • a particle beam therapy system comprising the circular accelerator according to (8) and an irradiation device that irradiates a patient with a charged particle beam emitted from the circular accelerator.
  • Electromagnetic shield 38 ... Main magnetic pole 39... Circular accelerator 40
  • Main electromagnet 41 ... Yoke 42
  • Main coil 43 ... Septum coil 44
  • Peeler magnetic field region 45
  • Regenerator magnetic field region 46
  • Beam through hole 47 ...
  • High energy beam transport System 48 ... Coil through hole 49... Through hole 50
  • High frequency system through hole 52 ...
  • Ion injection section 53 ...
  • Ion source 54 ...
  • Low energy beam transport system 60

Landscapes

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Abstract

第１高周波による電場の周波数を変調させるロータ電極（３３）と、内導体（１４）により固定されており、第１高周波による電場の周波数を変調させるステータ電極（３２）と、ロータ電極（３３）を支持、回転させるシャフトと、シャフトと内部が真空保持された外導体（１５）との間に設けられる真空シール（２９）と、シャフトを支持する軸受け（３０）と、真空シール（２９）より真空側に配置され、ロータ電極（３３）側と外導体（１５）とを電気的に接続するブラシ（２６）と、を備える。これにより、円形加速器に用いられる回転コンデンサの軸受けと真空シールに流れる高周波電流を従来に比べて低減し、長寿命化することが可能な回転コンデンサ、円形加速器、および粒子線治療システムを提供する。

Description

回転コンデンサ、円形加速器、および粒子線治療システム
　本発明は、粒子線を加速するための円形加速器に好適に用いられる回転コンデンサやそれを備えた円形加速器、および粒子線治療システムに関する。
　特許文献１には、ステータ電極と、このステータ電極のステータ電極面との間で静電容量を形成するロータ電極面を有するロータ電極と、を備え、このロータ電極が回転することにより、静電容量が変化する回転コンデンサが筐体内に設けられた円形加速器において、ロータ電極は、筐体内に固定された金属の軸受により回転可能に保持されるシャフトによって保持され、シャフトは軸方向の少なくとも一部の領域が直流を絶縁する絶縁材料で構成され、軸受と筐体との間に、少なくとも一部の領域が直流を絶縁する絶縁材料で形成された軸受ホルダが配置されるようにした、ことが記載されている。
　特許文献２には、軸受潤滑剤が外に洩れることを防止するため又は軸受部内へ異物や雨水が侵入するのを防止するために設けている軸受端カバーに、アースブラシを挿入する穴を設け、この穴内にアースブラシを挿入してその上部にブラシを押える押えバネとこの押えバネを保持する押え板を取り付ける、ことが記載されている。
特開２０２０－０９５７７２号公報 特開平６－１４１５０５号公報
　主磁場強度を時間的に一定とし、加速高周波の周波数を時間的に変調するタイプの円形加速器として、シンクロサイクロトロンや、偏芯軌道型加速器が知られている。
　これらの円形加速器では、主磁場の生成に超電導コイルを用いて高磁場化することが比較的容易であることから、加速器の小型化により低コスト化を図ることができ、特に粒子線治療システムに適用される。
　シンクロサイクロトロンや偏芯軌道型加速器では、荷電粒子ビームを加速させる高周波の周波数を変調させる素子として、回転コンデンサが用いられる。回転コンデンサは、一般的に、ステータ電極と、ステータ電極に対向して配置されたロータ電極と、ロータ電極を回転させる回転軸と、回転軸を支持する軸受けと、を含んでおり、その一例が特許文献１に記載されている。
　回転コンデンサの軸受けや真空シールは、回転軸の高速回転に耐える必要がある。また、筐体の壁面を伝わって軸受けや真空シールに高周波電流が流れることがある。そのため、軸受けと真空シールは消耗品であり、定期的に交換する必要があるが、その頻度を減らすために長寿命化が望まれている。
　しかし、特許文献１に記載の回転コンデンサでは、ロータと軸受けの間にバイパスコンデンサを設けて軸受けに流れる高周波電流を低減している。しかしながら、バイパスコンデンサは非接触なので、十分に高周波電流を低減できず、更なる低減が求められる、という課題がある。
　特許文献２に記載の回転機では、軸受けにブラシを設けて電流を低減している。しかし、軸受けの位置はロータとブラシの間にあり、数十ＭＨｚのＲＦ電流では真空シールやベアリングのＲＦ電流を十分に低減できないため、単純に適用することができない、という課題がある。
　本発明の目的は、円形加速器に用いられる回転コンデンサの軸受けと真空シールに流れる高周波電流を従来に比べて低減し、長寿命化することが可能な回転コンデンサ、円形加速器、および粒子線治療システムを提供することにある。
　本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、直流主磁場に第１高周波を印加することで荷電粒子ビームを加速させる円形加速器に用いられ、前記第１高周波の周波数を変調する回転コンデンサであって、前記第１高周波による電場の周波数を変調させるロータ電極と、内導体により固定されており、前記第１高周波による電場の周波数を変調させるステータ電極と、前記ロータ電極を支持、回転させるシャフトと、前記シャフトと内部が真空保持された外導体との間に設けられる真空シールと、前記シャフトを支持する軸受けと、前記真空シールより真空側に配置され、前記ロータ電極側と前記外導体とを電気的に接続するブラシと、を備える。
　本発明によれば、円形加速器に用いられる回転コンデンサの軸受けと真空シールに流れる高周波電流を従来に比べて低減し、長寿命化することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
本実施形態に係る円形加速器の外観を示す斜視図である。 本実施形態に係る円形加速器を示す断面図である。 図２のＡ－Ａ’線断面図である。 エネルギー毎のビーム起動を示す図である。 本実施形態に係る円形加速器の運動パターンを示す図である。 本実施形態に係る加速空胴と回転コンデンサの概要を示す断面図である。 図６のＢ－Ｂ’線断面図である。 本実施形態の変形例１に係る加速空胴の回転コンデンサの概要を示す断面図である。 本実施形態の変形例２に係る加速空胴の回転コンデンサの概要を示す断面図である。 本実施形態に係る粒子線治療システムの構成を示す図である。
　本発明の回転コンデンサ、円形加速器、および粒子線治療システムの実施形態について図１乃至図１０を用いて説明する。
　なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。
　また、下記の実施形態は一例に過ぎず、本発明は下記の具体的な態様に限定されるものではない。本発明自体は、下記の実施形態以外にも種々の形態に変形させることが可能である。
　例えば、本発明に係る回転コンデンサは円形加速器に好適に用いることができるが、その用途だけに限定されるものではない。また、本発明に係る円形加速器は粒子線治療システムに好適に用いられるが、その用途だけに限定されるものではない。
　以下、図１乃至図３を参照して、本実施形態に係る円形加速器の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る円形加速器の外観を示す斜視図である。図２は、円形加速器の横断面（中心平面）を示す断面図である。図３は、図２のＡ－Ａ’線断面図であり、円形加速器の縦断面を示す断面図である。
　図１等に示す円形加速器３９は、時間的に一定強度の主磁場（直流主磁場）にて、周波数変調した高周波電場によって荷電粒子ビームを加速する装置である。一例として、陽子ビームを２００ＭｅＶ程度まで加速する円形加速器について説明するが、円形加速器３９は、ヘリウムや炭素等の重粒子ビームを加速する装置であってもよい。
　円形加速器３９は、ビーム軌道をビーム出射経路入口８２の側に偏芯させるように主磁場を形成した偏芯軌道型加速器であり、ビームエネルギーを７０ＭｅＶから２００ＭｅＶ程度の間で任意に変えて出射することができる。なお、ビーム軌道は偏芯軌道である必要は無く、加速されるビームの起動が等芯円状の加速器にも適用可能であることは言うまでもない。
　図１および図３に示すように、円形加速器３９の外殻は、上下方向に分割可能な主電磁石４０によって形成されている。主電磁石４０内の中心平面上に加速領域が形成されており、その加速領域は真空引きされている。
　以下、加速領域内においてビームが加速開始されて、ビームのエネルギーが最大エネルギーの２００ＭｅＶ程度になるまでにビームが通る軌道を周回軌道と呼ぶ。周回軌道のうち、エネルギーが最大エネルギー２００ＭｅＶ程度であるビームが通過する軌道を、最大エネルギー軌道８０と呼ぶ（図２参照）。また、エネルギーが７０ＭｅＶであるビームが通過する軌道を、最低出射エネルギー軌道８１と呼ぶ。周回軌道が螺旋を描く面を軌道面又は軌道平面と呼ぶ。加速領域の中心を原点とする軌道面の２次元極座標系が定められ、その中心から半径外側方向の軸をｒ軸と呼ぶこととする。
　図１に示すように、主電磁石４０の上部には、イオン源５３が設置されている。イオン源５３は、主電磁石４０に入射するイオンのビームを生成する。イオン源５３によって生成されたビームは、低エネルギービーム輸送系５４を通り、イオン入射部５２を経由して主電磁石４０内部の加速領域に入射される。イオン源５３としては、ＥＣＲイオン源等を適用することができる。なお、イオン源５３は、主電磁石４０内部の真空引きされた加速領域内部に配置されてもよく、その場合はＰＩＧ型イオン源等を好適に用いることができる。
　図２に示すように、イオン入射部５２は、中心線上において加速領域の機械中心よりもビーム出射経路入口８２側に寄せて配置される。イオン源５３によって生成された荷電粒子のビームは、低エネルギービーム輸送系５４を通り、イオン入射部５２を経由して、インフレクタ電極（図示の都合上省略）等によって主電磁石４０内部の加速領域に入射される。
　入射されたビームは、高周波電場で加速され、エネルギーを増しながら主磁場中を周回する。ビームは加速されるにつれ、その軌道の曲率半径を増し、ビームは加速領域の中心から外側に向かって、螺旋状の軌道を描く。なお、ビームを加速させる高周波が、第１高周波の一例に相当する。
　図３に示すように、主電磁石４０は、主磁極３８と、ヨーク４１と、主コイル４２とを含む。ヨーク４１によって、主電磁石４０の外観が形成される。ヨーク４１の内部に、およそ円筒状の領域が形成される。主コイル４２は、円環状の超電導コイルであり、ヨーク４１の内壁に沿って設置される。主コイル４２の周囲には、クライオスタット６０が設置されており、クライオスタット６０によって主コイル４２が冷却される。主コイル４２の内周側には、主磁極３８が上下に対向して設置されている。主コイル４２に直流電流を流すことによって励起され、主磁極３８によって形成される上下方向の磁場を、直流主磁場と呼ぶ。直流主磁場は、偏芯軌道の形成に用いられる。加速領域は、直流主磁場中のビームを加速するための領域である。
　図２に示すように、ヨーク４１には複数の貫通孔が形成されている。具体的には、ビーム用貫通孔４６、コイル用貫通孔４８、真空引き用貫通孔４９、および高周波系用貫通孔５０が形成されている。
　ビーム用貫通孔４６は、加速されたビームを出射するための貫通孔であり、高エネルギービーム輸送系４７を形成する。このビーム用貫通孔４６の円形加速器３９の内周側に位置するビーム出射経路入口８２にはセプタムコイル４３が設置されている。
　コイル用貫通孔４８は、ヨーク４１内に設置されている種々のコイル導体を外部に引き出すための貫通孔である。真空引き用貫通孔４９は、加速領域を真空引きするための貫通孔である。高周波系用貫通孔５０は、加速空胴１０のための貫通孔であり、上下磁極の接続面に設けられている。
　加速空胴１０は、λ／２共振型空胴であり、ディー電極１２と、ダミーディー電極１３と、内導体１４と、外導体１５と、回転コンデンサ２２と、を含む。
　ディー電極１２は、その内部をビームが通過する中空電極であり、内導体１４とつながっている。ダミーディー電極１３は、アース電位の電極であり、内導体１４を包む外導体１５とつながっている。ディー電極１２とダミーディー電極１３との間に、加速間隙１１が形成される。加速間隙１１に高周波電場が形成される。
　加速空胴１０への高周波電力は、高周波電源２１によって入力カプラ２０を介して供給される。入力カプラ２０は、静電結合式又は磁気結合式のいずれかの方式によって加速空胴１０とカップリングされる。これにより、ビームを加速するための高周波加速電圧とその高周波加速電圧による高周波電場が、加速間隙１１に発生する。
　ディー電極１２と内導体１４の接続部のように高周波電流が流れる方向に対し垂直に接続面がある場合にはＲＦコンタクトを入れて電気的な導通を確保する。これにより、熱伸びによる加速空胴１０の寸法変化も防止することができる。また、内導体１４や外導体１５の熱伸びによる変形を防ぐにはＲＦコンタクトのほかにベローズを使うこともできる。
　スタブ１６は内導体１４と、外導体１５から同軸上に円筒が伸びており、共振周波数調整をおこなうための誘導負荷（コイル）の代わりとして用いている。スタブ１６の内導体１４と外導体１５の間にはカプトンシートを設け、ＤＣとしては絶縁しているが、高周波としては導通している。スタブ１６の長さと、内導体１４と外導体１５の直径の比率と、内導体１４と外導体１５への取付位置を変えることで共振周波数を調整する。スタブ１６は水冷配管と、信号線と、給電線などを内導体１４からディー電極１２側に通す入口にも用いられる。なお、図２においてスタブ１６は１本だが、２本以上にしてもよい。
　回転コンデンサ２２は、加速空胴１０の共振周波数を変調するための機器である。回転コンデンサ２２の静電容量を時間的に変動させることで、加速空胴１０の共振周波数を変えて、周波数変調パターンを形成することができる。回転コンデンサ２２によって周波数変調された加速電圧が、ディー電極１２とダミーディー電極１３との間の加速間隙１１に発生する。図２に示されている加速間隙１１は、ハーモニクス数１の加速間隙、すなわち周回周波数と加速周波数とが同じ加速間隙であり、ビームの軌道形状に応じて形成される。
　高周波電源２１は、自励式又は他励式のいずれかの方式によって、加速空胴１０の共振周波数変化に追随した周波数の高周波電力を供給する。
　以下、偏芯軌道を実現する主磁場について説明する。主磁場は、周方向に主磁場強度が一定となるタイプの磁場でもよいし、ＡＶＦ（Ａｚｉｍｕｔｈａｌ　Ｖａｒｙｉｎｇ　Ｆｉｅｌｄ）タイプの磁場でもよい。いずれのタイプの磁場であっても、主磁場分布は、非等時性の直流磁場である。以下の式（１）で表されるｎ値が０より大きく、かつ１未満となるビーム安定化条件を満たすように、主磁場分布が定められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ρは設計軌道の偏向半径であり、Ｂは磁場強度であり、∂Ｂ／∂ｒは半径方向の磁場勾配である。
　上述のビーム安定化条件のもとでは、設計軌道から径方向に微小にずれたビームは、設計軌道に戻すような復元力を受け、軌道面に対し鉛直な方向にずれたビームは、軌道面に戻す方向に主磁場から復元力を受ける。すなわち、ビームは、設計軌道の近傍をベータトロン振動し、安定して周回して加速される。また、全エネルギーのビームにおいて、軌道面内に平行、かつ軌道と直交する方向のベータトロン振動数（水平方向チューン）νｒは１に近い値に設定される。
　上述の主磁場分布は、主磁極３８、およびこの主磁極３８の表面に設置されるトリムコイルや磁極片（ともに図示省略）によって形成される。これらの構成要素は、軌道平面に対し上下対称に配置されるため、主磁場は、軌道平面上において、軌道平面と垂直な方向の磁場成分のみを持つ。
　図４に、各エネルギーの周回軌道が示されている。最大エネルギー２００ＭｅＶ程度から磁気剛性率０．０４Ｔｍおきに、５０種類のエネルギーの軌道が実線で示されている。点線は各軌道の同一の周回位相を結んだ線であり、等周回位相線と呼ぶ。等周回位相線は、集約領域から周回位相π／２０ごとにプロットされている。
　ディー電極１２とダミーディー電極１３との間に形成される加速間隙１１は、等周回位相線に沿って設置される。より具体的には、ディー電極１２は同心軌道の中心付近を先端とし、半径が等周回位相線に沿う、扇形のような中空の形状をしている。
　ビームのエネルギーが低い領域の軌道は、従来のサイクロトロン同様に、イオン入射部５２付近を中心とする同心軌道に近くなる。より大きなエネルギーの軌道は、ビーム出射経路入口８２の側で密に集約している。逆に内導体１４の側では、各エネルギーの軌道が互いに離れた位置関係にある。この軌道が密に集まっている点を集約領域、離散した領域を離散領域と呼ぶ。このような軌道配置を形成して集約領域付近からビームを取り出すことで、必要となるビームキック量を小さくできるため、エネルギー可変のビーム出射を容易に実現することができる。
　以下、図５を参照して、ビームが円形加速器３９に入射されて円形加速器３９から出射されるまでの過程について説明する。
　図５（ａ）には、加速空胴１０の共振周波数ｆｃａｖと、高周波キッカ７０によってビームに印加される高周波電場の周波数である周波数ｆｅｘｔと、時刻Ｔと、の関係を表すグラフが示されている。図５（ｂ）には、加速間隙１１に発生する加速電圧Ｖａｃｃと、高周波キッカ７０に印加される高周波電圧Ｖｅｘｔと、時刻Ｔと、の関係を表すグラフが示されている。図５（ｃ）には、入射するビームの電流および出射するビームの電流と、時刻Ｔと、の関係を表すグラフが示されている。なお、高周波キッカ７０に印加される高周波は、第２高周波の一例に相当する。
　一加速周期は、加速電圧Ｖａｃｃの立ち上がり（時刻Ｔ１）から始まる。その後、加速電圧Ｖａｃｃが十分に上がると、イオン源５３からビームが円形加速器３９に入射される（時刻Ｔ２）。
　ビームが円形加速器３９に入射してから時間ｔ１経過後にビームの高周波捕獲が終了する。捕獲されたビーム、すなわち入射されたビームのうち加速の準備が整ったビームが、加速電圧Ｖａｃｃによって加速され始める（時刻Ｔ３）。
　ビームのエネルギーが取り出したいエネルギーに達すると、加速高周波の遮断が開始され（時刻Ｔ４）、それから時間ｔ２が経過すると加速電圧ＶａｃｃがＯＦＦ状態となり（時刻Ｔ５）、ビームはある軌道を周回する。
　なお、ビームを形成する個々の荷電粒子は、周回時にビームの軌道と直交する方向に振動しており、この振動をベータトロン振動、この振動の振動数をベータトロン振動数と呼ぶ。また、周回一周あたりの振動数をチューンと呼び、周回一周あたりの軌道面外側へのビームのｒ軸上変位をターンセパレーションと呼ぶ。更に、周回するビームに関して、軌道面内かつビームの軌道と直交する方向のベータトロン振動を水平方向のベータトロン振動と呼び、チューンを水平方向チューンと呼ぶ。このベータトロン振動は、適切な高周波電圧が印加されると共鳴が起こり、振幅が急激に増大する性質を有する。
　ＶａｃｃがＯＦＦ状態になると同時に、高周波キッカ７０への高周波電圧Ｖｅｘｔの印加が開始される。なお、高周波キッカ７０への高周波電圧Ｖｅｘｔの印加開始（時刻Ｔ５）は、加速電圧ＶａｃｃがＯＦＦ状態となるのと厳密に同時でなくてもよい。高周波電圧Ｖｅｘｔの印加開始は、加速高周波の遮断開始（時刻Ｔ４）の直前、同時又は直後でもよく、加速電圧ＶａｃｃがＯＦＦ状態の直前や直後でもよい。なお、取り出したいエネルギーは、加速電圧Ｖａｃｃの印加時間で制御することができる。
　高周波キッカ７０の高周波電圧は、高周波キッカ７０が共振器構造でなく、静電容量が適切な値となるように設計されていれば、数μｓｅｃの応答で素早く立ち上がる。
　ベータトロン振動は、水平チューン又は水平チューンの小数部のいずれか一方とビームの周回周波数との積が、印加される高周波電圧の周波数と略同一であるとき、振幅が共鳴的に増大する性質を有する。そこで、当該高周波電圧の周波数ｆｅｘｔは、最大エネルギービームの水平方向チューンνｒの小数部Δνｒと、取り出したいエネルギーのビームの周回周波数ｆｒｅｖとの積Δνｒ×ｆｒｅｖと、略同一となるように定められる。あるいは、積Δνｒ×ｆｒｅｖと略同一となる周波数成分を含む有限の周波数バンド幅の高周波電圧が、印加されてもよい。結果として、水平方向ベータトロン振動の振幅は共鳴的に増大し続け、やがて、最大エネルギー軌道８０の外周側に設置したピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５に、ビームが到達する（時刻Ｔ６）。
　ピーラ磁場領域４４に到達したビームは、軌道面の外周側にキックされる。リジェネレータ磁場領域４５に到達したビームは、軌道面内周側にキックされる。ここで、「キックする」とは、電場又は磁場を印加することによってビームを偏向させることをいう。
　ピーラ磁場領域４４の四極磁場成分によって、ビームは更に外周側にキックされて、ターンセパレーションが増大していく。同時に、リジェネレータ磁場領域４５の磁場によって、ビームの水平方向チューンが急激に変動することが抑制され、ビームが出射されるまでの間に、水平方向と９０度直交する垂直方向にベータトロン振動が発散して、ビームが失われることが防止される。ピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５のそれぞれの磁場強度が適切に調節されると、２νｒ＝２のベータトロン振動の共鳴条件が発生して、ターンセパレーションを増大させることができる。
　セプタムコイル４３の内周側に設置されるコイル導体（図示省略）の厚みを大きく超えるターンセパレーションが得られるようになると、ビームは、セプタムコイル４３内部へと導かれ、十分な偏向を受け高エネルギービーム輸送系４７へ導かれ、出射される。
　なお、高周波キッカ７０へ高周波電圧印加を開始した直後（時刻Ｔ５）は、可能な限り大きな高周波電圧を印加し、ビームの振幅を素早く増大させることで、ビーム出射までの時間を短縮することができる。
　ビームがピーラ磁場領域４４又はリジェネレータ磁場領域４５に到達する直前（時刻Ｔ６）に高周波電圧を低下させ、ピーラ磁場領域４４とリジェネレータ磁場領域４５とに進行するビームの量を調整することで、ビーム出射電流を細かく制御することができる。高周波電圧Ｖｅｘｔを低下させるかわりに、高周波キッカ７０に印加される高周波の周波数をスイープする、又は、当ギア高周波の位相を変えることでも、ビームの出射電流を変えることができる。これは、ビームに含まれる荷電粒子のベータトロン振動数が、ある分布を有してばらついているという性質（チューンスプレッド）を利用している。高周波の周波数を変えて、共鳴を起こす荷電粒子の振動数の分布の帯域を変えることで、ビームの出射電流を変えることができる。
　ビームの出射開始（時刻Ｔ６）から時間ｔ４経過後に高周波キッカ７０への高周波電圧Ｖｅｘｔの印加を停止することで、ビームの出射が停止させられる（時刻Ｔ７）。この時間ｔ４を調整することで、ビームの出射時間を制御することができる。
　高周波キッカ７０に印加する高周波電圧を制御することで、ビーム出射電流を調整することができ、当該高周波電圧を印加停止すればビーム出射を停めることができる。それ故、スキャニング照射で要求されるスポット線量を、１回の出射パルスビームで過不足なく照射することができ、線量率が向上する。
　例えば、図５に示すようにビームの出射開始（時刻Ｔ６）から時間ｔ４’経過後まで高周波キッカ７０への高周波電圧Ｖｅｘｔの印加を続ければ、時刻Ｔ７’までビームを出射することができる。
　また、出射後に加速器内に周回するビームが残存していれば、高周波電圧Ｖｅｘｔを再び印加することでビーム出射を再開でき（時刻Ｔ８）、再びビームの入射、捕獲および加速を行わずに、次のスポット照射にビームを用いることができる。すなわち、一加速周期内に複数回ビームを出射することができるので、イオン源５３から入射された電荷を無駄なく使用することができ、線量率がさらに向上する。再び、加速電圧Ｖａｃｃが立ち上がり始めれば、新たな加速周期が始まる（時刻Ｔ１０）。
　以下、図６以降を参照して、回転コンデンサ２２について詳しく説明する。
　図６に示す回転コンデンサ２２は、加速空胴１０のディー電極１２とは反対側の端部に設置される。
　この回転コンデンサ２２は、モータ３１と、ステータ電極３２と、ロータ電極３３と、このロータ電極３３とモータ３１とを接続するシャフトと、ロータリジョイント３４と、真空シール２９と、シャフトの軸受け３０と、ホルダ２８と、バイパスコンデンサ２３と、ブラシ２６と、を含んでいる。
　ステータ電極３２は、内導体１４上に形成されている。これに対し、ロータ電極３３は、その内部が真空保持された外導体１５側に配置され、外導体１５とロータ電極３３には微小なギャップが設けられ静電結合されている。このようにギャップを設けることで、ロータ電極３３を外導体１５とは物理的に接触せず回転させることができ、電気的には静電結合で外導体１５とロータ電極３３を同電位にすることができる。なお、図６ではステータ電極３２を内導体１４側、ロータ電極３３を外導体１５側にしているが、ステータ電極３２を外導体１５側、ロータ電極３３を内導体１４側にしてもよい。
　図７は、図６のＢ－Ｂ’線断面図である。図７に示すように、ステータ電極３２及びロータ電極３３は、図５（ａ）に示されている周波数の変調パターンを実現するために、周方向に任意形状の切り欠け部を有する周期対称構造を有している。このようにステータ電極３２とロータ電極３３との対向部の面積を変化させることで、ステータ電極３２とロータ電極３３との間に形成される静電容量が時間的に変動する。
　図７に示す例では、この周期対称構造が８回対称の構造であるため、モータ３１が１回転するごとに周波数変調パターンが８周期分繰り返される。周期対称回数をさらに多くすれば、モータ３１の回転数を下げることができるため、軸振動が抑制されることから軸受け３０や真空シール２９の寿命を延ばすことができる。また、高周波の周波数を精度よく変調させることができる。
　シャフトは、ロータ電極３３を支持、回転させるものであり、金属シャフト３５ａ、ロータ電極支持部３５ｂで構成されている。このシャフトは、金属シャフト３５ａ部分がモータ３１の中心を貫通するように設置される。シャフトの端部にはロータリジョイント３４が設置されており、シャフト内に冷却水が供給されることで水冷される。冷却水はロータ電極３３の冷却に用いられる。
　本実施例ではシャフトからロータ電極３３まで配管を直線で持っていき、そこからロータ電極３３の先端まで配管を通す構成で水冷配管を配置でき、熱膨張による変形を従来に比べて容易に抑えることができる。
　なお、図６に示されているモータ３１は一例に過ぎず、回転コンデンサ２２に用いられるモータは、シャフトと回転軸とを共有する構造以外の構造を有することができる。例えば、シャフトの脇にモータが設置され、ギアやプーリ等を介して、シャフトが駆動されてもよい。
　モータ３１の回転軸はディー電極１２の粒子の加速領域に対して鉛直方向上向きに取り付けられている。入力カプラ２０と高周波電源２１はディー電極１２とは反対方向に設ける。この配置により、軸受け３０が片持ちから両持ちになるので、ロータ電極３３の回転が安定し、軸振動を低減できる。なお、モータ３１の回転軸はディー電極１２の粒子の加速領域に対し鉛直方向上方向きである必要は無く、鉛直方向下方向き、あるいは水平向きとすることができる。鉛直方向下向きの場合には回転コンデンサ２２内部が真空であり、ロータ電極３３に鉛直上向きの力が加わり、シャフトの軸受け３０の負荷を軽減することができる。また、真空シール２９と、シャフトの軸受け３０と、モータ３１が下側になるためメンテナンスしやすくなる。
　上述の構成とするために、内導体１４は、平板上の平板部１４ａと平板部１４ａに対して平行でない筒状部１４ｂとを有る構成となっている。そのうえで、ロータ電極３３は、その回転軸が内導体１４の筒状部１４ｂに対して平行に配置されている構成となっている。
　ホルダ２８，２８ａは、ともに水冷されており、真空シール２９と軸受け３０とを保持すると共に冷却する。真空シール２９はディー電極１２側に設置され、シャフトの周りを真空封止する。
　シャフトを支持する軸受け３０は、ディー電極１２の反対側に設置されている。つまり、軸受け３０は、大気側に設置されている。消耗品である軸受け３０が大気側に設置されているため、軸受け３０の交換等の保守作業が容易になる。また、その保守作業のために真空を開放する必要がないため、円形加速器３９のダウンタイムを減らすことができる。また、軸受け３０に用いられるグリースが発塵したとしても、その場所は大気中であり、真空度の悪化を引き起こさないため、放電やビーム損失といった問題が発生しない、との利点が得られる。
　真空シール２９は、シャフトと外導体１５との間に設けられる部材であり、リップシール、ダブルＯリング、ウィルソンシールやベローズシール等が好適には用いられる。なお、モータ３１の回転数が２０００ｒｐｍ以下であれば、磁性流体シールを用いることができ、これによって、摺動性が上がるため、シール寿命の向上が期待できる。本実施例では軸受け３０は１つだが、２つ以上の軸受け３０でシャフトの軸受けを支持してもよい。
　バイパスコンデンサ２３は、真空シール２９や軸受け３０の側を流れる高周波電流を低減するために、真空シール２９より真空側に設置される。バイパスコンデンサ２３は、互いに対向するホルダ側電極２４とシャフト側電極２５とを含む。
　ホルダ側電極２４は、外導体１５に接続された導電体製のホルダ２８ａに固定される電極である。シャフト側電極２５は、シャフト上に固定される電極である。ホルダ側電極２４とシャフト側電極２５とは、周方向に切り欠け部を有していない電極である。この構成によって、静電容量が増加し、高周波に対するインピーダンスが低下する。そのため、高周波電流がこのバイパスコンデンサ２３の方を流れやすくなり、真空シール２９や軸受け３０を流れる高周波電流が減少する。
　電磁シールド３６は、バイパスコンデンサ２３と、ブラシ２６と、真空シール２９と、シャフトの軸受け３０と、モータ３１とを覆うシールドであり、バイパスコンデンサ２３やブラシ２６で吸収しきれなかった高周波電力が外部に漏れるのを防ぐ効果がある。
　本実施形態では、さらに、高周波電流を低減するために、バイパスコンデンサ２３と真空シール２９との間にブラシ２６が設置される。このブラシ２６は、真空シール２９より真空側に配置され、ロータ電極３３側と外導体１５とを電気的に接続するための部材である。
　ブラシ２６は直方体のバルクにシャフトとの接触面をシャフトに沿った曲面となるよう加工したもので、接触面を増やし安定して摺動できるようにしている。ブラシ２６の反対側はホルダ２８ａに接続されており、ホルダ２８ａ側からバネなどでシャフト側に向かって押し付けられる。
　なお、ブラシ２６はシャフトに少なくとも１個取り付けられていればよく、シャフトの円周上に複数個つけたり、軸方向に複数個設けてもよい。また、シャフトの全周に接触するように円筒状としてもよい。円筒のブラシ２６で金属粉の割合が多いものであれば、バイパスコンデンサ２３のホルダ側電極２４とシャフトの隙間を円筒のブラシ２６で塞ぐことでより効果的に高周波電流を遮蔽することができ、高周波電流をより低減できる。図６では、バイパスコンデンサ２３と真空シール２９の間にブラシ２６を設けているがロータ電極３３とバイパスコンデンサ２３の間にブラシ２６を設置してもよい。
　なお、本発明者らがシミュレーションにより検討した結果、シャフト、特にホルダ側電極２４やシャフト側電極２５と真空シール２９との間が、電圧が高くなる領域であり、電気的に導通することの効果が高いことから最も好適な位置であることが判明している。
　ブラシ２６の材質はカーボンや銅粉を焼結したものが使われるが、導電性の材質のものを固めたものであればよい。この構成によって、シャフトと外導体１５に接続されたホルダ２８ａがブラシ２６によって導通され、高周波電流がシャフトから外導体１５に流れる。そのため、真空シール２９や軸受け３０を流れる高周波電流が減少するので、真空シール２９や軸受け３０が長寿命化する。
　高周波電流が流れるパスとなりうるステータ電極３２、ロータ電極３３、内導体１４、外導体１５、および金属シャフト３５ａは、全て導電体製の部材である。
　次いで、回転コンデンサの変形例について図８および図９を用いて説明する。
　図８には、変形例１に係る加速空胴１０Ａの回転コンデンサ２２Ａが示されている。シャフトは金属シャフト３５ａ、ロータ電極支持部３５ｂに加えて、絶縁シャフト３５ｃで構成されており、ロータ電極３３を支持するロータ電極支持部３５ｂ側に絶縁シャフト３５ｃ、モータ３１側に金属シャフト３５ａが配置される。
　絶縁シャフト３５ｃの材質にはＦＲＰ、アルミナ、窒化アルミが使われる。上記材料を用いることでロータ電極３３の回転に必要な機械強度を保つともに、ロータ電極３３から金属シャフト３５ａに流れる高周波電流を低減できるため、シャフトから真空シール２９や軸受け３０に流れる高周波電流をより減少させることができる。このため、真空シール２９や軸受け３０が劣化しにくくなり、より長寿命化を図ることができる。
　また、図８に示す回転コンデンサ２２Ａでは、ブラシ２６は、金属シャフト３５ａに接触している。
　図９には、変形例２に係る加速空胴１０Ｂの回転コンデンサ２２Ｂが示されている。この図９に示す回転コンデンサ２２Ｂでは、真空シール２９を保持するホルダ２８とブラシ２６を保持するホルダ２８ａとの間に絶縁フランジ２７が設置されている。
　絶縁フランジ２７の材質にはＦＲＰ、アルミナ、窒化アルミなど絶縁性の材料が使われる。上記の絶縁フランジ２７が存在しない図６、図８の構成では、高周波電流がシャフトから真空シール２９や軸受け３０に流れた後、ホルダ２８とホルダ２８ａを経由して外導体１５に流れる虞がある。これに対し、図９の構造のように絶縁フランジ２７を入れると、上記経路上のインピーダンスが大きくなるので高周波電流がバイパスコンデンサ２３やブラシ２６により流れやすくなり、真空シール２９や軸受け３０を流れる高周波電流が減少するので、真空シール２９や軸受け３０が長寿命化する。
　次いで、図１０を参照して、本実施形態に係る粒子線治療システムの構成について説明する。図１０には、粒子線治療システムの構成が示されている。
　本実施形態に係る粒子線治療システム３００は、円形加速器３９と、回転ガントリ１９０と、スキャニングコイルを含み、円形加速器３９から出射した荷電粒子ビームを患者に照射する照射装置１９２と、治療台２０１と、これら制御する制御装置１９１とを含む。
　円形加速器３９から出射されたビームは、回転ガントリ１９０によって照射装置１９２まで輸送される。輸送されたイオンビームは、照射装置１９２およびビームエネルギーの調整によって、患部形状に合致するように整形され、治療台２０１に横たわる患者２００の患部標的に対して所定量照射される。照射装置１９２は、線量モニタを含み、照射スポット毎に患者２００に対して照射された線量を監視している。制御装置１９１は、この線量データに基づいて、各照射スポットへの要求線量を計算し、その計算結果を演算装置に出力する。
　次に、本実施例の効果について説明する。
　上述した本実施例の回転コンデンサ２２，２２Ａ，２２Ｂは、直流主磁場に第１高周波を印加することで荷電粒子ビームを加速させる円形加速器３９に用いられ、第１高周波の周波数を変調するための装置であって、第１高周波による電場の周波数を変調させるロータ電極３３と、内導体１４により固定されており、第１高周波による電場の周波数を変調させるステータ電極３２と、ロータ電極３３を支持、回転させるシャフトと、シャフトと内部が真空保持された外導体１５との間に設けられる真空シール２９と、シャフトを支持する軸受け３０と、真空シール２９より真空側に配置され、ロータ電極３３側と外導体１５とを電気的に接続するブラシ２６と、を備える。
　本発明によれば、円形加速器３９の加速空胴１０に用いられる回転コンデンサ２２，２２Ａ，２２Ｂの軸受け３０および真空シール２９に流れる高周波電流を従来の構成に比べて低減することができるため、従来に比べてそれら軸受け３０と真空シール２９の長寿命化を図ることができる。
　また、ブラシ２６は、シャフトと外導体１５とを電気的に接続するため、軸受け３０と真空シール２９に流れる高周波電流の低減効果を最大限に高めることができる。
　更に、シャフトは水冷構造を有していることで、熱膨張による変形を従来に比べて容易に抑えることができる。
　また、シャフトは、金属シャフト３５ａ、絶縁シャフト３５ｃ、ロータ電極支持部３５ｂを有し、ブラシ２６は、金属シャフト３５ａに接触していることにより、真空シール２９や軸受け３０に流れる高周波電流をより減少させることができ、真空シール２９や軸受け３０が劣化しにくくなり、より長寿命化を図ることができる。
　更に、真空シール２９を保持するホルダ２８とブラシ２６を保持するホルダ２８ａとの間に絶縁フランジ２７を設けたことでも、真空シール２９や軸受け３０に流れる高周波電流をより減少させることができ、真空シール２９や軸受け３０が劣化しにくくなり、より長寿命化を図ることができる。
　また、内導体１４は、平板上の平板部１４ａと平板部１４ａに対して平行でない筒状部１４ｂとを有し、ロータ電極３３は、その回転軸が内導体１４の筒状部１４ｂに対して平行に配置されていることにより、軸受け３０が片持ちから両持ちに近い構造にすることができ、ロータ電極３３の回転をより安定させることができ、軸振動をより低減できる。これにより、高周波の周波数をより精度よく変調させることができる。
　＜その他＞　
　なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
　本発明実施形態は以下の態様であってもよい。
　（１）　直流主磁場に第１高周波を印加することで荷電粒子ビームを加速させる円形加速器に用いられ、前記第１高周波の周波数を変調する回転コンデンサであって、前記第１高周波による電場の周波数を変調させるロータ電極と、内導体により固定されており、前記第１高周波による電場の周波数を変調させるステータ電極と、前記ロータ電極を支持、回転させるシャフトと、前記シャフトと内部が真空保持された外導体との間に設けられる真空シールと、前記シャフトを支持する軸受けと、前記真空シールより真空側に配置され、前記ロータ電極側と前記外導体とを電気的に接続するブラシと、を備える回転コンデンサ。
　（２）（１）記載の回転コンデンサにおいて、前記ブラシは、前記シャフトと前記外導体とを電気的に接続する。
　（３）（１）または（２）記載の回転コンデンサにおいて、前記シャフトは、金属部、絶縁物部、ロータ電極支持部を有する。
　（４）（１）乃至（３）のいずれかに記載の回転コンデンサにおいて、前記シャフトは、金属部、絶縁物部、ロータ電極支持部を有し、前記ブラシは、前記金属部に接触している。
　（５）（１）乃至（４）のいずれかに記載の回転コンデンサにおいて、前記真空シールを保持するホルダと前記ブラシを保持するホルダとの間に絶縁物を設けた。
　（６）（１）乃至（５）のいずれかに記載の回転コンデンサにおいて、前記シャフトは水冷構造を有している。
　（７）（１）乃至（６）のいずれかに記載の回転コンデンサにおいて、前記内導体は、平板上の平板部と前記平板部に対して平行でない筒状部とを有し、前記ロータ電極は、その回転軸が前記内導体の前記筒状部に対して平行に配置されている。
　（８）（１）乃至（７）のいずれかに記載の回転コンデンサを備え、前記直流主磁場に前記第１高周波を印加することで荷電粒子ビームを加速させる円形加速器。
　（９）（８）に記載の円形加速器と、前記円形加速器から出射した荷電粒子ビームを患者に照射する照射装置と、を備えた粒子線治療システム。
１０，１０Ａ，１０Ｂ…加速空胴
１１…加速間隙
１２…ディー電極
１３…ダミーディー電極
１４…内導体
１４ａ…平板部
１４ｂ…筒状部
１５…外導体
１６…スタブ
２０…入力カプラ
２１…高周波電源
２２，２２Ａ，２２Ｂ…回転コンデンサ
２３…バイパスコンデンサ
２４…ホルダ側電極
２５…シャフト側電極
２６…ブラシ
２７…絶縁フランジ（絶縁物）
２８，２８ａ…ホルダ
２９…真空シール
３０…軸受け
３１…モータ
３２…ステータ電極
３３…ロータ電極
３４…ロータリジョイント
３５ａ…金属シャフト（金属部）
３５ｂ…ロータ電極支持部
３５ｃ…絶縁シャフト（絶縁物部）
３６…電磁シールド
３８…主磁極
３９…円形加速器
４０…主電磁石
４１…ヨーク
４２…主コイル
４３…セプタムコイル
４４…ピーラ磁場領域
４５…リジェネレータ磁場領域
４６…ビーム用貫通孔
４７…高エネルギービーム輸送系
４８…コイル用貫通孔
４９…用貫通孔
５０…高周波系用貫通孔
５２…イオン入射部
５３…イオン源
５４…低エネルギービーム輸送系
６０…クライオスタット
７０…高周波キッカ
８０…最大エネルギー軌道
８１…最低出射エネルギー軌道
８２…ビーム出射経路入口
１９０…回転ガントリ
１９１…制御装置
１９２…照射装置
２００…患者
２０１…治療台
３００…粒子線治療システム

Claims (9)

  1. 　直流主磁場に第１高周波を印加することで荷電粒子ビームを加速させる円形加速器に用いられ、前記第１高周波の周波数を変調する回転コンデンサであって、
    　前記第１高周波による電場の周波数を変調させるロータ電極と、
    　内導体により固定されており、前記第１高周波による電場の周波数を変調させるステータ電極と、
    　前記ロータ電極を支持、回転させるシャフトと、
    　前記シャフトと内部が真空保持された外導体との間に設けられる真空シールと、
    　前記シャフトを支持する軸受けと、
    　前記真空シールより真空側に配置され、前記ロータ電極側と前記外導体とを電気的に接続するブラシと、を備える
    　回転コンデンサ。
  2. 　請求項１に記載の回転コンデンサにおいて、
    　前記ブラシは、前記シャフトと前記外導体とを電気的に接続する
    　回転コンデンサ。
  3. 　請求項１に記載の回転コンデンサにおいて、
    　前記シャフトは、金属部、絶縁物部、ロータ電極支持部を有する
    　回転コンデンサ。
  4. 　請求項２に記載の回転コンデンサにおいて、
    　前記シャフトは、金属部、絶縁物部、ロータ電極支持部を有し、
    　前記ブラシは、前記金属部に接触している
    　回転コンデンサ。
  5. 　請求項１に記載の回転コンデンサにおいて、
    　前記真空シールを保持するホルダと前記ブラシを保持するホルダとの間に絶縁物を設けた
    　回転コンデンサ。
  6. 　請求項１に記載の回転コンデンサにおいて、
    　前記シャフトは水冷構造を有している
    　回転コンデンサ。
  7. 　請求項１に記載の回転コンデンサにおいて、
    　前記内導体は、平板上の平板部と前記平板部に対して平行でない筒状部とを有し、
    　前記ロータ電極は、その回転軸が前記内導体の前記筒状部に対して平行に配置されていることを特徴とする
    　回転コンデンサ。
  8. 　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転コンデンサを備え、
    　前記直流主磁場に前記第１高周波を印加することで荷電粒子ビームを加速させる
    　円形加速器。
  9. 　請求項８に記載の円形加速器と、
    　前記円形加速器から出射した荷電粒子ビームを患者に照射する照射装置と、を備えた
    　粒子線治療システム。
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